專利名稱：金剛石基片在至少一個金屬基片上的接合方法
在動力電子組件中，需要冷卻具有相當高的電位的動力電子元件。
一種傳統(tǒng)的冷卻手段包括將元件焊接在一銅導軌上，銅導軌本身安裝于一氮化鋁型或同等類型的電絕緣陶瓷材料上，陶瓷材料用于將高電位的元件和銅導軌與底板和接地的冷卻裝置隔離開。
銅導軌/AlN陶瓷的多層結(jié)構(gòu)非常適合動力元件的電絕緣，但是，為了制造這種多層結(jié)構(gòu)而使用的眾多的接觸界面、焊料、膠及油脂共同形成了相當大的總熱阻(對于625微米的AlN和300微米的Cu大約是15×10-6開/瓦)，該熱阻影響所述結(jié)構(gòu)通過其本身或一冷卻裝置適當?shù)嘏懦齽恿υ慕苟鸁釗p耗的能力。
而且，電位越高，陶瓷介質(zhì)層就越重要，然而，眾所周知，陶瓷介質(zhì)不是熱的良導體。
人們知道，使用人造金剛石的好處是，它是非常好的電絕緣體，同時又具有約10倍于AlN的導熱性(金剛石1500瓦/米·開；AlN180瓦/米·開)。
一層人造金剛石基片在一銅質(zhì)或鋁質(zhì)導軌上的接合通常包括運用PVD技術的鍍金屬的第一步驟向人造金剛石基片上鍍一薄層鈦、鉑或金；焊接的第二步驟用傳統(tǒng)的焊接方法，將金剛石/Ti，Pt，Au復合基片焊接于銅質(zhì)或鋁質(zhì)導軌上。
相對于AlN復合層，上述方法的散熱增益為25-30％。
但考慮到人造金剛石的導熱性能，與期望值相比，這種提高太小了。
這是由于焊接產(chǎn)生了一相當大的熱阻(對于300微米的金剛石、100微米的焊料和300微米的Cu而言，總熱阻約為13×10-6開/瓦，其中12×10-6開/瓦是由焊料和接觸界面導致的)。
而且，人造金剛石太高的購買成本使得其生產(chǎn)成本/散熱增益比大大高于所述AlN技術，從而阻礙了大批量的使用。
本發(fā)明的一個目的就是提出一種方法，以實現(xiàn)金屬基片和金剛石基片的接合，同時具有熱阻減小的接觸界面。
為此，本發(fā)明涉及一種將一層金剛石基片接合于至少一個金屬基片上的方法。根據(jù)本發(fā)明方法的各個步驟金剛石基片的至少一面由一層鋁箔覆蓋；所述金剛石基片及所述鋁箔置于一控制氣氛的室內(nèi)，并通過在氬氣或真空中的第一步熱壓接合在一起，從而形成一多層復合基片；所述多層復合基片置于一金屬基片上，鋁箔表面與金屬基片相接觸；所述多層復合基片及所述金屬基片通過第二步熱壓而接合。
在一種實施變型中，所述多層復合基片包括一層金剛石基片和兩層鋁箔，前者夾于后者之間，而且金屬基片同每一鋁箔相接合。
在本發(fā)明方法的第一步熱壓的一種實施方式中，熱壓溫度在550-650℃之間，熱壓所施加的壓強在100-150千克/平方厘米之間。
在金屬基片為銅的情況下，第二步熱壓的溫度在500-550℃之間，第二步熱壓所施加的壓強在100-150千克/平方厘米之間。
本發(fā)明的其它優(yōu)點和特點將在下面的描述中表現(xiàn)出來。
所述熱壓明顯減小了不同物質(zhì)之間接觸界面的熱阻。
但是，為直接將銅向金剛石類型的薄片上熱壓，溫度應約在1000℃。而眾所周知，CVD金剛石在超過800-900℃時是不穩(wěn)定的，會轉(zhuǎn)變?yōu)槭?br> 為彌補上述嚴重缺陷，根據(jù)本發(fā)明，將金剛石基片與至少一個金屬基片相接合的方法是基于兩個熱壓步驟。
第一步熱壓是對金剛石基片和至少一層鋁箔進行。
金剛石基片的一面由一層鋁箔所覆蓋；金剛石基片/鋁箔復合體放置于一控制氣氛的熱壓室內(nèi)；熱壓的第一步在氬氣或真空中進行，將鋁箔和金剛石基片接合在一起，從而形成一多層復合基片。在一種實施變型中，金剛石基片夾于兩層鋁箔之間，熱壓溫度約為600℃，在該溫度下，CVD金剛石是完全穩(wěn)定的。
在第一步熱壓中完成的多層復合基片被放置到一個(或若干)金屬基片上，鋁箔表面與金屬基片相接觸；第二步熱壓將鋁箔表面與金屬基片接合起來。同樣，熱壓溫度約在600℃。
在根據(jù)本發(fā)明的第一步熱壓的實施方式中，熱壓溫度在550-650℃之間，熱壓所施加的壓強在100-150千克/平方厘米之間。
在金屬基片為銅的情況下，第二步熱壓的溫度在500-550℃之間，第二步熱壓所施加的壓強在100-150千克/平方厘米之間。
在本發(fā)明的一個非限制性的實施例中，實現(xiàn)了300微米的金剛石基片、100微米的鋁箔和300微米的銅基片之間的接合，其總熱阻為2.9×10-6，比現(xiàn)有技術減少了5倍。
許多優(yōu)點都直接來自所述熱阻的降低。
一方面，盡管金剛石的購買成本約10倍于AlN，熱阻的降低仍使金剛石的使用具有競爭力。
另一方面，通過減小絕緣體的厚度和散熱裝置的體積，又可以減小動力電子組件的體積。
最后，對于相同的尺寸，可以使得通過電子組件的功率更強大。
當然，本發(fā)明不局限于前面所描述的實施方式，本領域的技術人員可以實施多種變型而不脫離本發(fā)明的范疇。尤其是，金屬基片可以不是銅的，鋁箔同樣也可以由其它任何允許與金剛石基片和金屬基片熱壓接合的材料所代替，前提是熱壓溫度低于金剛石的轉(zhuǎn)變溫度。
權(quán)利要求
1.金剛石基片在至少一個金屬基片上的接合方法，其特征在于金剛石基片的至少一面由一層鋁箔覆蓋；所述金剛石基片及所述鋁箔置于一控制氣氛的室內(nèi)，并通過在氬氣或真空中的第一步熱壓接合在一起，從而形成一多層復合基片；所述多層復合基片被置于一金屬基片上，鋁箔表面與金屬基片相接觸；所述多層復合基片及所述金屬基片通過第二步熱壓而接合。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，所述金剛石基片夾于兩層鋁箔之間。
3.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的方法，其特征在于，在第一步熱壓時，熱壓溫度在550-650℃之間，熱壓所施加的壓強在100-150千克/平方厘米之間。
4.根據(jù)權(quán)利要求1至3之一所述的方法，其特征在于，所述金屬基片為銅基片。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的方法，其特征在于，所述第二步熱壓的溫度在500-550℃之間，第二步熱壓所施加的壓強在100-150千克/平方厘米之間。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種金剛石基片在至少一個金屬基片上的接合方法,根據(jù)本發(fā)明:金剛石基片的至少一面由一層鋁箔覆蓋;金剛石基片及鋁箔置于一控制氣氛的室內(nèi),并通過在氬氣或真空中的第一步熱壓接合在一起,形成一多層復合基片;多層復合基片置于一金屬基片上,鋁箔表面與金屬基片相接觸;多層復合基片及金屬基片通過第二步熱壓而接合。
文檔編號B23P5/00GK1190643SQ9712124
公開日1998年8月19日 申請日期1997年10月30日 優(yōu)先權(quán)日1996年10月31日
發(fā)明者阿蘭·珀蒂邦, 埃里克·郎希 申請人:阿爾卡塔爾-阿爾斯托姆通用電氣公司